【正文】 ......................................................26 計(jì)算部分的設(shè)計(jì) .............................................................................................................28 顯示部分的軟件設(shè)計(jì) .....................................................................................................29 超量程處理 .......................................................................................................................294. 系統(tǒng)程序清單 ....................................................................................................................29設(shè)計(jì)總結(jié) ...................................................................................................................................41參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................................................41 緒論在電氣測(cè)量中，電壓是一個(gè)很重要的參數(shù)。數(shù)字電壓表是通用儀器中使用較廣泛的一種測(cè)試儀器，很多電量或非電量經(jīng)變化后都用可數(shù)字電壓表完成測(cè)試。本文將介紹一種以單片機(jī)為核心的電壓測(cè)量?jī)x表，它能夠測(cè)量電壓量，能夠自動(dòng)進(jìn)行量程選擇，并且測(cè)量結(jié)果能夠通過數(shù)碼管顯示，從而具有一定的智能性。在硬件部分，本文就系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊的原理作了詳細(xì)的介紹。在軟件部分，詳細(xì)闡述了各個(gè)模塊電路的軟件設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)。本設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)進(jìn)行控制，由于單片機(jī)的有效輸入輸出信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的前向通道有效信號(hào)均應(yīng)為模擬信號(hào)，所以在設(shè)計(jì)過程中必然包括模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量單元的設(shè)計(jì)。對(duì)于 V/F 轉(zhuǎn)換電路，要使其轉(zhuǎn)換具有良好的線性度和精度必須使其輸入電壓變化范圍較小。所以，前向模擬通道的設(shè)計(jì)要包括量程轉(zhuǎn)換部分，即對(duì)大信號(hào)進(jìn)行分壓變小，對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，顯然，這樣不僅能滿足 V/F轉(zhuǎn)換電路的要求，而且也能有效的防止超量程測(cè)量。本設(shè)計(jì)框圖如圖 11 所示： 圖11 設(shè)計(jì)總框圖在以后的各節(jié)中，將分別介紹各個(gè)部分的設(shè)計(jì)。所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)該具有相應(yīng)的處理電路，使最終的信號(hào)得以統(tǒng)一。對(duì)于信號(hào)變換部分應(yīng)該注意的是所采樣的信號(hào)種類應(yīng)能夠通知控制部分（單片機(jī)） ，以使控制部分做出相應(yīng)的計(jì)算處理，只有這樣才能保證最終的顯示結(jié)果的正確性。CD4053 是三組單刀雙擲集成模擬開關(guān)，開關(guān) X 承擔(dān)了全波整流的任務(wù)，其控制端 A 受控于比較器的輸出電平。電路輸入交流信號(hào)的正半波時(shí)，同相連接的比較器 U9 輸出高電平，模擬開關(guān) X 接通運(yùn)放 U10 輸出信號(hào)送后續(xù)的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換單元；電路輸入交流信號(hào)的負(fù)半波時(shí)，比較器 U9 輸出低電平，模擬開關(guān) X 接通反相器 U11 的輸出信號(hào)送后續(xù)的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換單202。190。178。188。 193。179。212。175。187。163。193。170。228。170。253。193。163。V/F163。191。214。181。212。163。MCU163。207。202。181。212。 元。這個(gè)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)就可以用來通知控制部分所進(jìn)行測(cè)量的是交流信號(hào)還是直流信號(hào)，以使控制部分進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和顯示。23 76 5184U9LM31132 184U11ANE5532 32 184U10ANE5532R30 R17 6KR20 5KVCCR1610KVCCGNDVCCX012 X113Y02 Y11Z05 Z13INH6 A11B10 C9VEE7X 14Y 15Z 4CD4053R185KR10 1KR9 1KR195K500R71uFC71KRVCC500R8GND99KR6 9KR5Q0E5VE5圖 12 交直流轉(zhuǎn)換電路另外，圖 12 電路能同樣有效地用于直流信號(hào)的前置處理。特別重要的示，直流信號(hào)和交流信號(hào)具有同樣的傳輸增益，給交直流參數(shù)的測(cè)量軟件同一處理提供了極大的方便。 2. 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)在儀表的設(shè)計(jì)過程中，量程轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的。這樣才能夠?yàn)楹罄m(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元提供適當(dāng)?shù)妮斎腚妷?，使其轉(zhuǎn)換具有良好的精度和線性度。這樣，經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換后的電壓范圍就應(yīng)該為 0～5V。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于電壓信號(hào)設(shè)置了五個(gè)量程，即 1/100 檔，1/10 檔，1 檔，10 檔，100 檔。而1 檔，10 檔，100 檔則是應(yīng)用放大電路來完成的，它們則是用來測(cè)量較小的電壓的。此電路中的多路選擇開關(guān) CD4053 可以用來選擇放大倍數(shù)，在該電路中分別設(shè)置了1，10 和100 的放大倍數(shù)。本設(shè)計(jì)中 CD4053 各個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通與單片機(jī)引腳的關(guān)系見表 11 所示。由于本系統(tǒng)要求的電壓測(cè)量范圍是 0～500V,所以多路開關(guān)的選擇應(yīng)特別注意其耐壓值。分壓比的選擇由單片機(jī)的 和 來控制。 900K R390K R210K R1X013 X114X215 X312X41 X55X62 X74INH6 A11B10 C9VEE7X 3MAX4602GNDIN(V)GND圖 13 量程轉(zhuǎn)換部分的分壓電路由上述分析可知量程的轉(zhuǎn)換由兩部分（即分壓和放大）共同完成，所以在量程的選擇時(shí)需注意兩部分的關(guān)系，即選用分壓時(shí)放大電路的放大倍數(shù)要選為 1，選用放大時(shí)信號(hào)要直接進(jìn)來而不經(jīng)過分壓。對(duì)于不需要較快檢測(cè)速度的信號(hào)，如果采用 V/F 變換器代替原有的 A/D 轉(zhuǎn)換器，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)（f=kv）,由單片機(jī) CPU 計(jì)數(shù)器在采樣周期內(nèi)對(duì)頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，采樣時(shí)，CPU 發(fā)出計(jì)數(shù)指令，定時(shí)時(shí)間一到，計(jì)數(shù)停止，從讀到的計(jì)數(shù)值乘以一定的系數(shù)，就可以得到相應(yīng)電壓值。它使用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都有較高的精度，最大線性度達(dá) %，6 個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍，即滿量程的頻率范圍為 1HZ ～100KHZ。這類器件的高精度，高線性度，低溫移及單調(diào)性的組合所提供的性能是其它技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。對(duì) V/F 變換，整個(gè)電路都是線性放大。in對(duì) V/F 轉(zhuǎn)換，滿度頻率 f 大，閘門周期短，轉(zhuǎn)換快，分辨率高，但同時(shí)線性度下降。本設(shè)計(jì)中的輸入電壓 Vi 在 0～5V(即量sltt程轉(zhuǎn)換后的電壓均為 0～5V)內(nèi)變化，輸出 f 選擇在 0—10KHZ 內(nèi)變化，既可滿足轉(zhuǎn)換率又可滿足分辨率的要求。LM331 由 7 腳輸入電壓，由 5 腳輸入偏置電流，5 腳最大保持電壓為 7Vs,2 腳的參考電壓為 。f 輸出期間（t= R C ）,C14 充電到t ttV ,此后，i=0,f 無輸出，C14 從 V 放電到 V ,而后比較器工作，開始另一個(gè)循環(huán)，整個(gè)x xin過程始終保持電荷平衡。使用光電耦合器，一方面可以抑制較大的隨機(jī)干擾信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)， （6N137 最大可抑制 3000V 的噪聲干擾） ，減少進(jìn)入單片機(jī)的干擾信號(hào)修改單片機(jī)內(nèi)部寄存器的數(shù)值或發(fā)生死機(jī)的現(xiàn)象；另一方面可以避免數(shù)字電路，模擬電路的共地，因而能有效的抑制由于數(shù)字電路，模擬電路的共地帶來的地電位脈沖引起的數(shù)據(jù)抖動(dòng)現(xiàn)象。在 51 子系列中，主要有 8038058751 三種機(jī)型，他們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi) ROM 有所不同。⑵ 片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率 fosc 范圍為 ～12MHZ ；可有時(shí)鐘輸出。⑷ 4K 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ 8031 無） 。⑹ 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為 64K 字節(jié)。⑻ 4 個(gè) 8 位并行 I/O 接口：P0、PPP3。⑽ 2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。⑿ 111 條指令，含乘法指令和除法指令。⒁ 片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。MCS51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖 15 所示：圖15 MCS51 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 由圖可大致看到：它含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、4 個(gè) I/O 接口、串行接口、定通道0驅(qū)動(dòng)器 通道2驅(qū)動(dòng)器RAM地址鎖存器 RAM通道0鎖存器 通道2鎖存器 ROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC遞增器程序計(jì)數(shù)器DPTR指針VCCGND～ 堆棧指針SPACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動(dòng)器 通道3驅(qū)動(dòng)器TMP1SCON TMODPCON TCONTL0 TH1TH0 TL1IESBUF(TX/RX) IP中斷、串行口和定時(shí)器邏輯振蕩器～ RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存定時(shí)邏輯指令譯碼 時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。MCS51 系列單片機(jī)芯片有 40 個(gè)引腳。低功耗的、采用 CHMOS 工藝制造的機(jī)型（在型號(hào)中間加一 “C”字作為識(shí)別，如 80C380C587C51 ）也有用方封裝結(jié)構(gòu)的。VSS：接+5V 電源地端。XTAL2：片內(nèi)反相放大器輸出端。 ～：P0 口的 8 個(gè)引腳。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，P0 口分時(shí)復(fù)用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線?？勺鳛闇?zhǔn)雙向 I/O 接口使用。一般可作為準(zhǔn)雙向 I/O 接口；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 接口且尋址范圍超過 256 個(gè)字節(jié)時(shí)，P2 口用為高 8 位地址總線。除作為準(zhǔn)雙向 I/O 接口使用外，還具有第二功能，見表 22。在訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，每機(jī)器周期PROG該信號(hào)出現(xiàn)兩次，其下降沿用于控制鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址。在向片外程SEN序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效（低電平） ，以通過數(shù)據(jù)總線P0 口讀回指令或常數(shù)。PSENRST/VPD：RET 寫全是 RESET，是復(fù)位端。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù) 10ms 以上才能保證有效復(fù)位。）,可用于保存片內(nèi) RAM 中的數(shù)據(jù)。/VDD：片外程序存儲(chǔ)器選用端。綜上所述，對(duì) MCS51 系列單片機(jī)的引腳可歸納出下列兩點(diǎn)：①單片機(jī)功能多，引腳少，許多引腳都具有第二功能。由 PP0 組成 16 位地址總線；由 P0 分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線；由 ALE、 、RST、 、與 P3 口中的 、 、T0、T 、PSENAINT01WR共 10 個(gè)引腳組成控制總線。 單片機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用在整個(gè)系統(tǒng)中，單片機(jī)的控制功能為：采用 T0 口對(duì) V/F 轉(zhuǎn)換之后的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用 T1 口進(jìn)行定時(shí)，采用 、 和 進(jìn)行量程選擇，采用 口判斷所測(cè)信號(hào)是交流信號(hào)還是直流信號(hào)，采用 口作為顯示電路的清零端，采用串行輸入端 RXD作為移位寄存器的輸入端，采用串行輸出端 TXD 作為移位脈沖，電路如圖 17 所示：EA/VPP31XTAL119 XTAL218RST9(RD)17 (WR)16(INT0)12 (INT1)13(T0)14 (T1)15 (AD0) 39(AD1) 38(AD2) 37(AD3) 36(AD4) 35(AD5) 34(AD6) 33(AD7) 32(A8) 21(A9) 22(A10) 23(A11) 24(A12) 25(A13) 26(A14) 27(A15) 28PSEN 29ALE/PROG30(TXD) 11(RXD) 10GND20VCC 40AT89C51P0P1P2P3P4P5T0TXDRXDDP2DP3510KR1 510KR2510KR3 dp1dp2dp33KR73KR6 3KR5 3KR4VDD10KR2922uFC3VDD33pFC233pFC1Y112MAT89C51圖 17 控制部分電路圖 系統(tǒng)的控制過程為：T1 口定時(shí)，T0 口采樣，定時(shí)時(shí)間到，采樣結(jié)束，通過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算并選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，然后再進(jìn)行采樣、計(jì)算、顯示。它既具有按鍵處理功能，又具有自動(dòng)顯示功能，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。該芯片能自動(dòng)消除鍵抖動(dòng)并具有雙鍵鎖定保護(hù)功能。 8279 的組成和基本工作原理圖 19 為 8279 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。I/O 控制線用于 CPU 對(duì) 8279 內(nèi)部各種寄存器、緩沖器讀寫數(shù)據(jù)和讀寫狀態(tài)命令的控制。2）控制與定時(shí)寄存器及定時(shí)控制 控制與定時(shí)寄存器用來寄存鍵盤和顯示器的工作